[038] Co to jest shield? cz. 1

Twórcy Arduino od razu zakładali możliwość pracy z systemem bez używania lutownicy. Nie była to nowość ani jakieś odkrycie arduinowców, bowiem taki, nazwijmy to „klockowy” sposób łączenia składowych był stosowany od dawna. Idea jest prosta: wybrana grupa modułów korzysta ze wspólnej magistrali sygnałowej, zatem musi być także przystosowana do tego pod względem mechanicznym. Coś takiego mamy choćby w pecetach i można tutaj dobierać na przykład karty graficzne, przyjmując jako kryterium zasoby finansowe, bez martwienia się czy będą pasować.

Arduino także stworzyło swoją magistralę, a właściwie kilka, bowiem oprócz tej znanej z Uno, mamy odmianę dużą: Mega, a wersja Nano także trochę nieformalnie stworzyła własną. Ale Uno jest zdecydowanie najbardziej popularne i dla tego standardu powstały setki jeśli nie tysiące kart, nakładek czy po prostu shieldów, jak to się nazywa oficjalnie.

Zanim zabierzemy się za konkrety, rzućmy okiem na szczegóły magistrali. Najpierw z perspektywy sygnałów. A więc przede wszystkim znajdziemy tam komplet napięć: +5V i +3V3 Przy czym trzeba pamiętać, że to drugie ma ograniczoną wydajność, zresztą pierwsze także nie dostarczy amperów. Ile możemy podkraść – to już zależy od konkretnej wersji płytki i należy tych informacji szukać w specyfikacji. Mamy tutaj także wejście VIN na stabilizator, jedyny pin, na który można podać napięcie wyższe. Jakie ono może być wysokie? Zalecam 7-8, góra 9 woltów. Teoretycznie może być 12, a w nowych płytkach więcej, ale zwłaszcza w klonach zdarzały się katastrofy przy napięciu zbliżonym do tej wartości. Ponieważ pin ten jest połączony przez diodę z gniazdkiem zasilania, jeśli tamtędy podamy napięcie, dostaniemy go także tutaj i możemy wykorzystać na przykład do sterowania przekaźnikami.

Znajdziemy tu także trzy piny GND połączone z masą, a tych nigdy za dużo. Dwa mają ciekawą funkcję. Na AREF można podać bardzo dokładne napięcie odniesienia dla przetworników analogowo – cyfrowych, jeśli wewnętrzne napięcie nie zadowalałoby nas. Natomiast na IOREF panuje napięcie, w jakim pracują porty, dzięki czemu sprytne nakładki mogą dopasować własne napięcia do poziomu niezagrażającego tym Arduino, którym nie wolno serwować pięciu woltów, tylko trzy. Jeśli już wymieniamy wszystko, wejście RESET służy do resetowania mikrokontrolera, a NC dynda sobie niezagospodarowane. Szkoda, że nie ma tutaj dubla pięciu woltów, bo by się przydało czasem. Pozostałe styki to już tylko standardowe porty różnego typu, do których dostaniemy się za pomocą arduinowych komend związanych z pinami.

Spójrzmy teraz na całość z perspektywy mechaniki. I tutaj zgrzyt, nawet mocny. Mogę założyć, że przez niedbalstwo, ale śmiem postawić tezę, że z czystego wyrachowania, przesunięto grupę pinów o wartość nijak nie wpisującą się w siatkę calową. Co to oznacza? Nie użyjemy płytki uniwersalnej do budowy własnych nakładek, ponieważ osiem nóżek w grupie, gdzie znajdują się napięcia, nie wejdzie w dziurki takich płytek. Najgorsze jest to, że przynajmniej jedna z nich przydałaby nam się, ponieważ siedzi tam napięcie. Toteż uniwersalne płytki muszą być „uniwersalne arduinowo”, czyli z przesuniętymi dziurkami dla tej grupy. Reszta może mieć już typowy rozstaw. Płytki takie są mniej popularne, więc droższe i nie każdy elektronik ma ich zapas.

Znamy już szczegóły budowy arduinowej magistrali, czas więc rzucić okiem na typową nakładkę, którą jest shield z czterema przekaźnikami. Za chwilę omówię sens jego istnienia. Wróćmy jednak do płytki Arduino Uno.

Złącza, o których opowiadałem, znajdują się na górze i przyjmują formę gniazdek godpinowych. Wynika z tego, że pasującymi tutaj złączami będą goldpiny i takie znajdziemy pod nakładką. Raz – dwa i obie płytki są połączone razem.

Mało tego, shied ma otworki (nie są one obowiązkowe), które leżą nad otworkami w Uno. Jeśli użyjemy gwintowanych słupków dystansowych i śrubek, obie płytki będą połączone ze sobą trwale. Ale to nie wszystko, po drugiej stronie nakładki mamy kopię gniazdek, więc możemy do tej kanapki dołożyć kolejną warstwę, tworząc w razie potrzeby całkiem złożone konfiguracje. Przy czym płytka z kontrolerem musi znajdować się na samym dole. Rzućmy teraz okiem na przykładowy shield.

Jest to dość proste urządzenie, zawierające cztery przekaźniki wraz z czterema sterującymi tranzystorami i czterema diodami świecącymi, które wskazują stan przekaźnika. Zasadniczym celem istnienia takiej płytki jest sterowanie czterema urządzeniami o niemałym poborze prądu i mogącymi pracować także z wysokimi napięciami. Jak wysokimi? Płytka spełnia normy pozwalające pracować przy napięciu sieciowym. Stąd na spodzie znajdziemy folię izolacyjną, a ścieżki mają stosowny dystans. Moje zdanie na ten temat jest krótkie: ostrożnie. Owszem, w urządzeniu docelowym, przy bardzo zdrowym rozsądku można tutaj sterować na przykład akwarium, ale trzeba zachować czysty, bezpieczny montaż całości i kompletną, nieprzewodzącą obudowę. Na czas testów bardzo zalecam podłączenie żaróweczek na niskie napięcie i symulację docelowego obwodu za ich pomocą. Zresztą mamy tutaj ledy, więc w zasadzie nic podłączać nie trzeba, by widzieć co się dzieje. Co do prądów, niby na przekaźnikach znajdziemy informację o 7 amperach przy 230 woltach, ale to jest przesada. Urządzenie nie odleci w kosmos, jednakże będzie trochę przeciążone. Zdrowy rozsądek pozwala sterować powiedzmy odbiornikami o poborze prądu 100-200 watów, lecz już farelki do tego nie podłączałbym.

A podłączamy się do tych konektorów. COM – wejście jednego z przewodów, NO albo NC – wyjście. NO zwiera się po podaniu sygnału, NC – odwrotnie. Gdyby ktoś chciał zapamiętać, polecam skrót: NO – normalnie otwarty, czyli jak nie ma zasilania, przekaźnik nie przewodzi. O tym jak to działa w praktyce, napiszę w kolejnym artykule.